年產(chǎn)200噸L精氨酸全廠設(shè)計說明書

1、畢業(yè)設(shè)計說明書題目年產(chǎn)200噸L-精氨酸全廠設(shè)計學(xué) 院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專 業(yè)生物工程班 級2007級2班學(xué) 號 0713100315學(xué)生姓名王宏明指導(dǎo)教師莫柏立二一一年六月 年產(chǎn)200噸L精氨酸全廠設(shè)計 摘要 本設(shè)計主要是進行年產(chǎn)200噸L-精氨酸工廠設(shè)計。 在對L-精氨酸國內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀作了分析后，擬在南寧市高新區(qū)投資L-精氨酸生產(chǎn)工廠。首先對L-精氨酸的生產(chǎn)工藝作了優(yōu)化設(shè)計，采用輔料分批添加發(fā)酵的方法，提高L-精氨酸的產(chǎn)量，然后依據(jù)擬定的產(chǎn)量與工藝流程對生產(chǎn)車間進行了物料衡與主要生產(chǎn)設(shè)備的選型，同時，對水、電、汽的用量也進行了估算。其次，對公用工程、三廢處理及綜合利用等方面也作了一個初步的

2、設(shè)計方案。 整個設(shè)計充分考慮了目前的經(jīng)濟狀況和今后發(fā)展的需要，從節(jié)能的角度出發(fā)選擇設(shè)備。生產(chǎn)流程盡量提高機械化、自動化水平，同時力求技術(shù)上先進，質(zhì)量上可靠，布局上合理、規(guī)范。關(guān)鍵詞：L-精氨酸 發(fā)酵 工廠設(shè)計 Whole plant design of L-arginine factory with annunl proudaction of 200 tons AbstractThis design is primarily for the annual treatment of 200 tons L-ArginineOn the basis of investigation for the

3、global and China's L-Arginine production and processing status，the design analyses our countrys concentrated L-Arginine production and trade statusIt p1an to invest to build a concentrated L-Arginine production plant in nanning High-tech ZoneFirst to L-Arginine production technology, using the o

4、ptimal design method of complementary makings partial add fermentation, improve production of n-acetylcysteine arginine First of all，calculate the number of production materials and aequum for the production workshop based on the elementary output; moreover, make a technologic design for the worksho

5、p and do the major equipment sampling according to the demand of the international marketThirdly, make a preliminary design for the public sector and earthwork；at the same time，estimate the usage and the costs of water, electricity and fuel. Finally, the design also makes the necessary technological

6、 and economic analysisThis design takes full account of current economic situation and future development needs，chooses equipments from the perspective of energy-efficientProduction processes to maximize mechanization, automation level，while seeking to technically advanced, reliable quality, reasona

7、ble and normal layoutKeywords：L-Arginine，fermentation, design目錄第一章緒論- 1 -1.1 L-精氨酸的性質(zhì)- 1 -1.2 立題的背景與意義- 1 -1.2.1 L-精氨酸的營養(yǎng)生理功能- 1 -1.2.2 發(fā)酵法生產(chǎn)L-精氨酸的研究進展- 2 -1.2.3 L-精氨酸在醫(yī)藥與食品工業(yè)中的應(yīng)用- 2 -1.2.4 本設(shè)計擬定的工作內(nèi)容- 2 -1.3 設(shè)計原則- 3 -1.3.1 符合國家的方針政策- 3 -1.3.2 衛(wèi)生條件符合產(chǎn)品規(guī)格要求- 3 -1.3.3 結(jié)合當(dāng)?shù)貙嵡?，?jié)約投資，降低成本- 3 -1.4 廠址的選擇- 3

8、 -1.5 產(chǎn)品方案及班產(chǎn)量的確定- 4 -1.5.1 產(chǎn)品方案- 4 -1.5.2 班產(chǎn)量的確定- 4 -第二章工藝流程及論證- 5 -2.1 L-精氨酸的生產(chǎn)方法- 5 -發(fā)酵菌種與培養(yǎng)基原料- 5 -2.2.1 發(fā)酵菌種與發(fā)酵周期- 5 -2.2.2 種子培養(yǎng)和發(fā)酵培養(yǎng)基- 5 -2.3 工藝流程- 6 -2.4 工藝流程論證- 7 -2.4.1 發(fā)酵的控制- 7 -2.4.2 提取工藝- 8 -第三章物料衡算- 10 -3.1 L-精氨酸發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)- 10 -3.2 發(fā)酵車間的物料衡算- 10 -3.2.1 發(fā)酵車間的物料衡算- 10 -3.2.2 發(fā)酵車間的物料衡算結(jié)果列表-

9、13 -第四章設(shè)備選型與設(shè)計- 14 -4.1 發(fā)酵罐的選型與設(shè)計- 14 -4.1.1 發(fā)酵罐的選型- 14 -4.1.2 發(fā)酵罐的設(shè)計- 14 -發(fā)酵罐個數(shù)的確定- 14 -主要尺寸的計算- 15 -4.2 種子罐的選型與設(shè)計- 24 -二級種子罐容積和數(shù)量的確定- 24 -主要尺寸的確定- 24 -4.3 空氣分過濾器- 29 -4.4 補料罐的設(shè)計- 30 -4.4.1 材料選擇- 30 -4.2.2 補料罐個數(shù)與尺寸的確定- 30 -發(fā)酵車間設(shè)備一覽表- 32 -第五章全廠與車間布置設(shè)計- 33 -全廠平面布置設(shè)計- 33 -5.2 生產(chǎn)車間平面布置- 33 -第六章水、汽、電用量估

10、算- 34 -年用水量估算- 34 -6.2 年蒸汽用量估算- 35 -6.3 用電量估算- 36 -第七章公用工程、輔助設(shè)施與三廢處理- 38 -公用工程- 38 -輔助設(shè)施- 38 -6.3 三廢處理- 39 -致謝- 40 -主要參考資料- 41 -第一章 緒論1.1 L-精氨酸的性質(zhì)L-精氨酸是堿性氨基酸,英文名為L-Arginine(L-1-Amino-4-guanidovaleric acid),簡稱L-Arg,化學(xué)名為-氨基-胍基戊酸,分子式為,相對分子質(zhì)量174.4，結(jié)構(gòu)式如下：它在體內(nèi)的活性構(gòu)象為L型,即L-Arg。L-精氨酸為白色結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，微有特異味。熔點244（分

11、解）。重結(jié)晶后，于105失去結(jié)晶水。易溶于水但難溶于乙醇，在乙醚中幾乎不溶。L-精氨酸的比旋光度D20=+12.5，不同基團在25時的解離常數(shù)為pK1(-COOH)=2.17；pK2(-NH4+1。1.2 立題的背景與意義1.2.1 L-精氨酸的營養(yǎng)生理功能L-精氨酸作為功能性氨基酸，近年來有關(guān)其營養(yǎng)與生理功能的研究日益增多。精氨酸的重要生理功能體現(xiàn)在：一、對機體的免疫調(diào)節(jié)，促胸腺作用，給動物補充精氨酸后胸腺增重是由于促進了動物胸腺細胞構(gòu)成和胸腺細胞的排出，提高了對促分裂素的轉(zhuǎn)化，而且精氨酸促胸腺的作用起動迅速；抗腫瘤作用，精氨酸能延長腫瘤病毒的潛伏時間、減少腫瘤的尺寸和縮短腫瘤減退的時間；對

12、燒傷、膿毒癥和外傷的作用，精氨酸提高了組氨酸和急性期蛋白的合成，促進傷口愈合，還可阻止T淋巴細胞數(shù)量降低2。二、精氨酸的營養(yǎng)作用，精氨酸的營養(yǎng)作用機理，人類靜脈注射 L-精氨酸(0.5g/kg 體重)可促進生長激素的釋放，可刺激人和其它哺乳動物包括牛、羊和豬的胰島素釋放3精氨酸的營養(yǎng)需要 ，嬰兒與幼年動物體內(nèi)的精氨酸合成不足，在嬰兒膳食中添加L-精氨酸，可防止出現(xiàn)皮癥，生長遲緩和頑固性高氨血癥等L-精氨酸缺乏綜合癥4。1.2.2 發(fā)酵法生產(chǎn)L-精氨酸的研究進展早在二十世紀(jì)七十年代國外就開始研究發(fā)酵法生產(chǎn)L-精氨酸，日前，日本、美國、德國等均采用發(fā)酵法生產(chǎn)L-精氨酸，且在產(chǎn)量、品種與技術(shù)上處于世

13、界領(lǐng)先水平，其中日本在氨基酸的生產(chǎn)處于領(lǐng)先地位，其L-精氨酸產(chǎn)量穩(wěn)定在60g/L。國內(nèi)對L-精氨酸的研究主要集中于對發(fā)酵菌種的傳統(tǒng)選育方面，對下游提取工藝的研究比較少，屬于起步階段，所以國內(nèi)發(fā)酵法生產(chǎn)水平較低，目前主要還是從毛發(fā)當(dāng)中提取制得。河南蓮花味精股份有限公司用谷氨酸棒桿菌生產(chǎn)產(chǎn)酸率38g·L-1，江南大學(xué)生物工程學(xué)院利用鈍齒棒桿菌生產(chǎn),發(fā)酵產(chǎn)酸率為37.2 g·L-1·L-1，但國內(nèi)的高產(chǎn)菌種不穩(wěn)定，未能用于工業(yè)化，目前國內(nèi)的發(fā)酵法生產(chǎn)L-精氨酸的產(chǎn)酸水平在30g/L4,與國外的先進水平還有很大的差距。受此限制，我國每年在進口L-精氨酸一個產(chǎn)品上的費用需要

14、40到50億元人民幣5。1.2.3 L-精氨酸在醫(yī)藥與食品工業(yè)中的應(yīng)用L-精氨酸是一種堿性較強的氨基酸，隨著對其的營養(yǎng)生理功能研究的日益深入而逐漸受到重視，并被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥和保健品工業(yè)當(dāng)中。臨床上它是復(fù)方氨基酸輸液的主要組成成分之一，我國結(jié)晶氨基酸輸液劑發(fā)展驚人，每年都在增加2000年耗用L-精氨酸270噸,L-精氨酸·HCl75噸,2007年L-精氨酸制劑耗用1585噸，L-精氨酸也被廣泛用于病毒性肝炎的治療，且有顯著的療效。另外還作為氨中毒性肝昏迷的解毒劑及肝功能的促進劑。在食品方面，L-精氨酸在食品工業(yè)中是不可缺少的調(diào)味劑，也是配制營養(yǎng)支持用和特殊支持用要素膳的重要原料。L-

15、精氨酸-L-谷氨酸鹽可作為忌鈉患者的調(diào)味品6。1.2.4 本設(shè)計擬定的工作內(nèi)容本設(shè)計擬定的工作內(nèi)容包括工廠設(shè)計的基本內(nèi)容，解決工廠設(shè)計所需要解決的主要問題，如廠址的選擇，產(chǎn)品方案，生產(chǎn)工藝的論證，車間平面設(shè)計，全廠平面設(shè)計，物料與能量的衡算等，此外還包括設(shè)備選型，公用系統(tǒng)，三廢處理等。1.3 設(shè)計原則1.3.1 符合國家的方針政策廠址應(yīng)該選擇于當(dāng)?shù)卣?guī)劃的工業(yè)區(qū)內(nèi)，在車間的設(shè)計上必須以GMP為設(shè)計依據(jù)和準(zhǔn)則，工藝流程的設(shè)計符合國家環(huán)保的要求，三廢做到達標(biāo)排放。1.3.2 衛(wèi)生條件符合產(chǎn)品規(guī)格要求廠址附近有良好的衛(wèi)生環(huán)境，沒有有害氣塵，以保證生產(chǎn)廠區(qū)的良好環(huán)境。生產(chǎn)車間要保持良好的潔凈度，不同

16、的車間環(huán)境要達到GMP的要求的潔凈度。1.3.3 結(jié)合當(dāng)?shù)貙嵡?，?jié)約投資，降低成本設(shè)計應(yīng)充分考慮到當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟條件，廠區(qū)所在地有比較方便的運輸條件，有一定的供電條件以滿足生產(chǎn)的需要；有充足的水源且水質(zhì)較好，符合衛(wèi)生部頒發(fā)的飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)考，此外還要考慮到生產(chǎn)原材料的來源等。并留有一定的發(fā)展余地。1.4 廠址的選擇廣西的生物資源較為豐富，生物技術(shù)也獨具優(yōu)勢，南寧市高新區(qū)制定了生物技術(shù)及醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展思路，通過產(chǎn)學(xué)研的結(jié)合，增強企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新，使生物技術(shù)與醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)很快成為高新技術(shù)開發(fā)區(qū)的特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。目前，已擁有生物工程和制藥企業(yè)近200家，主要集中在中藥制藥，生物化工，生物食品，生物農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域

17、，因此在南寧市高新區(qū)建立L-精氨酸生產(chǎn)工廠完全符合要求。南寧高新區(qū)地處南寧市區(qū)西北部，交通十分便利。城市主干道-快速環(huán)道、大學(xué)路與科園大道及魯班路貫穿其中，環(huán)城高速公路從高新區(qū)北端穿行而過。園區(qū)主干道-科園大道由南至北延伸至環(huán)城高速的北端出入口；高新區(qū)距南寧火車站3公里，距集裝箱內(nèi)河碼頭3公里，距南寧機場30公里，距市中心區(qū)4公里，借助于城市主干道和各級道路網(wǎng)，可方便到達火車站、機場和碼頭等交通樞紐，交通狀況良好。規(guī)劃區(qū)上游集中分布著天雹水庫等幾個大型水庫，山體向邕江排水，主要通過山體的人工水庫經(jīng)過可利江（相思湖）、心圩江和西明江自然排放，水資源非常豐富，另外高新區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施配套齊全：高新區(qū)現(xiàn)

18、已建成一批寫字樓、標(biāo)準(zhǔn)廠房和住宅樓投入使用，交通、通信方便，供排水、供電、供氣等基礎(chǔ)設(shè)施齊全。；主導(dǎo)風(fēng)向：冬季為東北風(fēng)，夏季為東南風(fēng)，年平均風(fēng)速1.88米/秒，年平均降雨量1298.8毫米。 綜合以上所述，南寧市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)符合L-精氨酸工廠的建廠要求，所以本設(shè)計的工廠建立在南寧市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)。設(shè)計占10000平方米。1.5 產(chǎn)品方案及班產(chǎn)量的確定1.5.1 產(chǎn)品方案到目前為止，國家在氨基酸生產(chǎn)行業(yè)還缺失行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這也是制約我國氨基酸健康發(fā)展的一大因素8。本設(shè)計的產(chǎn)品方案參照國外標(biāo)準(zhǔn)、日本氨基酸生產(chǎn)企業(yè)味之素的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和中國藥典里的標(biāo)準(zhǔn)。對于藥用L-精氨酸中國藥典里的標(biāo)準(zhǔn)是性狀：白色結(jié)晶或

19、結(jié)晶性粉末，成品中L-精氨酸的含量99.0%,透光率98%，pH10.5-12.0,比旋光率（20ºº，蛋白質(zhì)檢測：取1克樣品溶解于10ml水當(dāng)中，加20%三氯醋酸溶液5滴，不得生成沉淀9。本設(shè)計按藥典的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)藥用級的L-精氨酸。1.5.2 班產(chǎn)量的確定依據(jù)：年產(chǎn)200噸L-精氨酸按年生產(chǎn)天數(shù)300天算，則日生產(chǎn)量為200/3000.67噸/天。實行三班制，班產(chǎn)量為0.67/3=0.23噸/班，見下表1-1表1-1產(chǎn)品方案及班產(chǎn)量產(chǎn)品名稱年產(chǎn)量/噸日產(chǎn)量/噸班產(chǎn)量/噸 L-精氨酸200第二章 工藝流程及論證2.1 L-精氨酸的生產(chǎn)方法目前L-精氨酸的生產(chǎn)方法主要有以下幾種

20、：化學(xué)合成法酶法發(fā)酵法蛋白質(zhì)水解法9。由于化學(xué)合成法過程復(fù)雜費用高，酶法的底物選擇多樣性，蛋白質(zhì)水解法收率低，污染環(huán)境等都不適應(yīng)現(xiàn)代L-精氨酸的生產(chǎn)要求，而發(fā)酵法是借助微生物具有合成自身所需氨基酸的能力，通過對菌株的誘變等處理，選育出各種營養(yǎng)缺陷型及氨基酸結(jié)構(gòu)類似物抗性變異株，以解除代謝調(diào)節(jié)中的反饋抑制與阻遏，達到過量合成L-氨基酸的目，工藝過程簡單，產(chǎn)量高，是目前國際是生產(chǎn)L-精氨酸的主要方法。 培養(yǎng)基的組成與配比是否恰當(dāng)影響著微生物的生長，產(chǎn)物的形成與產(chǎn)量；而提取工藝的選擇，對產(chǎn)品的收率與產(chǎn)品質(zhì)量起決定性作用，本設(shè)計選取的工藝條件是經(jīng)過生產(chǎn)實踐證明的，能保證生產(chǎn)切實可行。2.2.1 發(fā)酵菌

21、種與發(fā)酵周期本設(shè)計以黃色短桿菌為發(fā)酵菌種，其發(fā)酵周期為80小時，加上發(fā)酵罐清洗、滅菌、進出物料等輔助操作時間，生產(chǎn)周期按96小時計，也就是四天為一個生產(chǎn)周期。2.2.2 種子培養(yǎng)和發(fā)酵培養(yǎng)基種子培養(yǎng)和發(fā)酵培養(yǎng)基以葡萄糖為主要碳源。1、 二級種子培養(yǎng)基（g/L)：葡萄糖30.0,輔料：玉米漿（CSL）20.0、5.0、尿素1.0、0.5、1.5、0.4、維生素H25、pH7.07.2。發(fā)酵培養(yǎng)基（g/L)：葡萄糖125.0,輔料：玉米漿（CSL）10.0、尿素1.0、1.5、30.0、0.5、維生素H50、維生素B1HCl1mg、pH7.07.2。2.3 工藝流程空氣菌種原料 預(yù)處理 空氣壓縮機

22、 斜面培養(yǎng) 搖瓶擴大培養(yǎng)冷卻 雙酶法糖化 活性碳脫色輔料 強堿性陰樹脂一級種子罐擴大培養(yǎng) 氣液分離淀粉水解糖超濾（截留分子量6000)二級種子罐擴大培養(yǎng) 過濾除菌滅菌 純化液 降膜預(yù)濃縮 單效減壓濃縮 發(fā)酵 (pH7.0,30-32) 絮凝劑 濃縮液 濃菌漿 陶濾 結(jié)晶鍋冷卻結(jié)晶 發(fā)酵清液 上清液板框過濾 離心 弱酸性陽樹脂2mol/L氨水洗脫 濕菌塊 干燥 高流分 干燥 母液 成品L-精氨酸 驅(qū)氨 飼料2.4 工藝流程論證本設(shè)計的產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)為成品含量99.0%，透光率98.0%，對下游的提取過程要求較高，具體過程如下：2.4.1 發(fā)酵的控制將斜面培養(yǎng)的菌種接種到搖瓶當(dāng)中，在30，120r/m

23、in的條件下培養(yǎng)18個小時，然后接入一級和二級種子罐,在30×108個/ml，以滿足發(fā)酵用菌。種子擴大培養(yǎng)的培養(yǎng)基與發(fā)酵培養(yǎng)基基本相同，以縮短種子對新環(huán)境的適應(yīng)時間，減少延滯期時間，縮短發(fā)酵周期。淀粉質(zhì)原料的糖化：采用雙酶化糖化，酶解化是用專一性很強的酶將淀粉水解為葡萄糖。1液化：將-淀粉酶加入淀粉乳中，在9397，pH6.07.0的條件下進行液化，然后升溫到100滅酶，2糖化：液化完成后加入糖化酶，在pH6.06.2的條件下，在24小時內(nèi)完成糖化。酶解法得到的糖液顏色淺、純凈、無苦味、質(zhì)量高10。 發(fā)酵的控制：L-精氨酸的發(fā)酵條件的控制包括溫度、pH、菌齡及接種量、通風(fēng)及攪拌、氧的

24、傳遞、泡沫等。用發(fā)酵條件來控制發(fā)酵過程中各種生化反應(yīng)的方向和速度，以達到高產(chǎn)的目的。黃色短桿菌適合的生長溫度在3035，但菌體生長與產(chǎn)酸時的主要酶不同，因酶的活力所溫度影響，所以最佳生長溫度與最佳產(chǎn)酸溫度有差別，在發(fā)酵前期溫度控制在30，以利于菌體的生產(chǎn)，后期控制在32，利于L-精氨酸的產(chǎn)生積累。pH也是影響酶的主要因素之一，黃色短桿菌的生長pH在7.0，發(fā)酵過程控制在此pH值。接種量：按照10%的接種量接種，以縮短菌體的生長期，縮短生產(chǎn)周期。溶氧：因為L-精氨酸發(fā)酵是好氧發(fā)酵，溶氧是發(fā)酵必需的，溶氧不足就會抑制菌體的生長和產(chǎn)酸量，所以發(fā)酵液中的溶氧應(yīng)控制15%飽和氧濃度，通風(fēng)比為0.2wm。

25、泡沫的控制：發(fā)酵上消除泡沫的方法有兩種，一是機械消泡，二是化學(xué)消泡劑消泡，常見的消泡劑有植物油（豆油、花生油等）、礦物油（石蠟油）、合成消泡（泡敵）。輔料分批添加：玉米漿主要用于菌體的生長，為菌體提供必要的氮源及維生素等營養(yǎng)物質(zhì)，但濃度過高會抑制生長。通過在發(fā)酵過程中補加一定量的玉米漿可有效解決以上問題，因此12h 后每8h 按發(fā)酵液體積補加0.3玉米漿，硫酸銨直接用于發(fā)酵罐結(jié)果影響前期菌體的生長，延長發(fā)酵周期。因此，發(fā)酵罐上采取低初始濃度，后續(xù)補加的方法：12h 后每6h 按發(fā)酵液體積補加0.3的硫酸銨更有利于發(fā)酵產(chǎn)酸。發(fā)酵終了時，發(fā)酵液中L-精氨酸含量在5.5%左右。L-精氨酸的生物合成部

26、方程式為：+葡萄糖的理論轉(zhuǎn)化率為：=64.59%發(fā)酵液中含L-精氨酸5.5%,以1L發(fā)酵液計算，則糖酸轉(zhuǎn)化率為：2.4.2 提取工藝1陶濾發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液當(dāng)中包含了大量的菌體，通過陶濾可以將大量菌體與發(fā)酵液分開，高壓通量加低壓通量穩(wěn)定在5m3/h,L-精氨酸存在于陶濾后的上清液當(dāng)中，濃菌將再用水洗， 濃菌漿體積為發(fā)酵液放罐體積的20%，濃縮了5倍，得到濃菌漿7-8m3。L-精氨酸收率98%。2弱酸性陽離子交換吸附洗脫L-精氨酸堿性氨基酸里堿性最強的，與苯乙烯磺酸根結(jié)合牢固不易洗脫，在強酸性陽樹脂上選擇性差，吸附的色素，蛋白質(zhì)可與L-精氨酸一起洗脫下來，加重下游的負擔(dān)，因此，選用弱酸性陽離子交

27、換樹脂吸附洗脫?？刹捎肈155樹脂，上柱液pH5.57.0，中性氨基酸不被吸附，隨過流液除去。用2mol/L氨水洗脫，高流分含L-精氨酸1.5%2.5%，透光率30%50%，收率96%。3驅(qū)氨洗脫液當(dāng)中含有大量的氨，可以用三效降膜濃縮器進行驅(qū)氨，進料量在7m3/h,經(jīng)三效濃縮即可完成驅(qū)氨任務(wù)，收率在92%95%。4脫色，除雜經(jīng)弱酸性陽樹脂交換后的L-精氨酸液顯淡黃色，透光率只有30%50%，還達不到藥用級L-精氨酸透光率98%的要求，所以還要進一步的脫色和除雜，為了節(jié)約投資，選用活性碳、和強堿性陽離子交換樹脂結(jié)合方法，驅(qū)氨后調(diào)pH9.510.0，用活性碳767在40下脫色，透光率可達90%以上

28、，再經(jīng)強堿性陽離子交換樹脂711OH-進一步的脫色除雜，L-精氨酸不掛柱，這一步可除去全部的陰離子和一些可溶性蛋白質(zhì)雜質(zhì)，L-精氨酸的收率可達98%。5超濾要生產(chǎn)藥用級的L-精氨酸，則應(yīng)符合藥曲的規(guī)定，采用超濾除熱源蛋白質(zhì)等大分子雜質(zhì)。蛋白質(zhì)檢測：取1克樣品溶解于10ml水當(dāng)中，加20%三氯醋酸溶液5滴，不得生成沉淀，所以必需嚴(yán)格控制蛋白質(zhì)的含量，超濾是控制蛋白質(zhì)的必需步驟。收率98%。6單效減壓濃縮結(jié)晶經(jīng)過已上的提取步驟后，要得到純品，還必需經(jīng)過濃縮結(jié)晶工序。減壓濃縮：在強制內(nèi)循環(huán)濃縮鍋內(nèi)，加熱面積20m2，初定容4m3，溫度小于50，濃縮終容在1.52m3，L-精氨酸終濃度45%50%，時

29、間3小時。濃縮液輸入結(jié)晶鍋，溫度控制在4650，進行結(jié)晶，結(jié)晶過程中不斷地補料使結(jié)晶過飽和析出，并不斷析出。整個提取過程收率為：陶率98%×弱酸性陽離子交換96%×驅(qū)氨95%×脫色除雜98%×超濾98%×減壓濃縮90%×結(jié)晶83%=64% 第三章 物料衡算3.1 L-精氨酸發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)表3-1 L-精氨酸發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)名稱單位指標(biāo)數(shù)生產(chǎn)規(guī)模噸/年200生產(chǎn)方法黃色短桿菌發(fā)酵，離子交換法提取年生產(chǎn)天數(shù)天/年300產(chǎn)品日產(chǎn)量噸/天產(chǎn)品質(zhì)量純度%99倒灌率%發(fā)酵周期h80發(fā)酵初糖Kg/m3125淀粉糖轉(zhuǎn)化率%98糖酸轉(zhuǎn)化率%44L

30、-精氨酸提取率%643.2 發(fā)酵車間的物料衡算3.2.1 發(fā)酵車間的物料衡算首先計算生產(chǎn)1000kg純度為99%的藥用級L-精氨酸需耗用的原輔材料及其他物料量。1發(fā)酵液量V1式中 125發(fā)酵培養(yǎng)基初糖濃度（kg/m3） 44%糖酸轉(zhuǎn)化率 99.5%除去倒灌率0.5%后的發(fā)酵成功率 64%L-精氨酸提取收率2、發(fā)酵液配制需水解糖量G1 以純糖算， 式中 125發(fā)酵液初糖含量（kg/m3）3 一二級種子液量 二級種子液量 V2液量一級種子液量V1液量V1液量=10%V2液量4一二級種子培養(yǎng)液所需水解糖量 G2式中 30為一二級種液含糖量（kg/m3）5生產(chǎn)1000kgL-精氨酸需水解糖總量G為：

31、6耗用淀粉原料量 理論上，100kg淀粉轉(zhuǎn)化生成葡萄糖量為111kg，故理論上耗用的淀粉量G淀粉為：式中 86%淀粉原料含純淀粉量 98%淀粉糖轉(zhuǎn)化率7生產(chǎn)1000kg藥用級L-精氨酸各種輔料的耗用量一級種子液量：290L，二級種子液量：2900L，發(fā)酵培養(yǎng)基液量：29000L則按照種子培養(yǎng)基與發(fā)酵培養(yǎng)基的各輔料配方計算各輔料用量為：玉米漿因為采用流加工藝，初始濃度為10g/L,發(fā)酵周期為80小時，12h 后每8h 按發(fā)酵液體積補加0.3的玉米漿,共加8次，則玉米漿用量為：也采用流加工藝，初始濃度為30.0g/L，12h 后每6h 按發(fā)酵液體積補加0.3的，共加11次，則的用量為：尿素的用量為

32、：的用量為：的用量為：的用量為：維生素H的用量為：維生素B1HCl的用量為：3.2.2 發(fā)酵車間的物料衡算結(jié)果列表由上述生產(chǎn)1000kgL-精氨酸（99%純度）的物料衡算結(jié)果，可求得200噸/年L-精氨酸發(fā)酵車間的物料衡算結(jié)果。具體計算結(jié)果如下表：表3-2 200噸/年L-精氨酸發(fā)酵車間物料衡算結(jié)果物料名稱生產(chǎn)1000kg（1噸）L-精氨酸（純度99%）的物料用量生產(chǎn)200噸L-精氨酸(純度99%）的物料用量一二級種子發(fā)酵液（m3）638發(fā)酵液（m3）295800水解糖總量（kg）×105淀粉(kg)×105玉米漿(kg)×104尿素(kg)6440(kg)386

33、0(kg)9020(kg)×105(kg)260維生素H(kg)306維生素B1HCl(g)第四章 設(shè)備選型與設(shè)計4.1 發(fā)酵罐的選型與設(shè)計4.1.1 發(fā)酵罐的選型當(dāng)前，我國谷氨酸發(fā)酵占統(tǒng)治地位的發(fā)酵罐仍是機械渦輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，即大家常說的通用罐，L-精氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)是好氧發(fā)酵，需要提供足夠的溶氧才能保證發(fā)酵的正常進行，因此選用機械渦輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，選用這種發(fā)酵罐的原因主要有：歷史悠久，資料齊全，在比擬放大方面積累了較豐富的成功經(jīng)驗，成功率高。4.1.2 發(fā)酵罐的設(shè)計年產(chǎn)200噸L-精氨酸,全年的生產(chǎn)天數(shù)為300天，則每天產(chǎn)200/300=0.67噸，需要發(fā)酵液的體積為：發(fā)酵罐的

34、填充系數(shù)=70%；則每天總共有發(fā)酵罐的體積為V0發(fā)酵周期為80小時，生產(chǎn)周期為96小時，即四天。發(fā)酵罐個數(shù)的確定：現(xiàn)選取公稱體積為20m3的發(fā)酵罐，總體積為22.6 m3取公稱體積20m3發(fā)酵罐6個，其中一個留作備用。實際產(chǎn)量驗算：富裕量能夠滿足生產(chǎn)需要。公稱容積，是指罐的圓柱部分和底封頭容積之和。并圓整為整數(shù)：上封頭因無法裝液，一般不計入容積。罐的全容積，是指罐的圓柱部分和兩封頭容積之和。1 罐徑與罐體高度現(xiàn)在按公稱容積20m3，全罐的體積為：，取高徑比為H：D=211，高徑比小，有利于發(fā)酵罐的溶氧，封頭與圓柱罐體的焊接處的直邊高度不納入體積，則：根據(jù)圓柱體體積與橢圓的體積計算公式有：解方程

35、得： 直徑計算出來后，應(yīng)將其值圓整到接近的公稱直徑系數(shù)12, H=2D=2×2.34.6(m)查閱文獻13，當(dāng)公稱直徑D為2.3m時，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的曲面高度H為D/4，即0.575m，焊接處的直邊高度h為0.04m，則總深度為： 封頭容積 ：V封圓柱部分容積：V筒兩者之和為全容積則設(shè)計的發(fā)酵罐其尺寸符合要求，能夠滿足生產(chǎn)工藝的需要。2 攪拌器的設(shè)計機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的攪拌渦輪有三種形式，由于L-精氨酸發(fā)酵過程有中間補料操作，對混合要求較高，因此采用六彎葉渦輪攪拌器。六彎葉渦輪式攪拌器已標(biāo)準(zhǔn)化，稱為標(biāo)準(zhǔn)型攪拌器；攪動液體的循環(huán)量大，攪拌功率消耗也大，根據(jù)攪拌器型式及主要參數(shù)HG/T21

36、23-1991標(biāo)準(zhǔn)，知20m3發(fā)酵罐采用6-6-6彎葉式攪拌葉，攪拌器：六彎葉渦輪攪拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4，攪拌器直徑：Di=D/3 攪拌器直徑：Di= 葉寬：B= 弧長= 底距 盤徑 葉距Y=D=0.77(m)Di×0.77=0.193(m) 彎葉板厚=14(mm) 相鄰攪拌葉輪間距S=2Di=1.54(m) 取兩檔攪拌，轉(zhuǎn)速可以50立方米罐的現(xiàn)有數(shù)據(jù)比例求得，已有數(shù)據(jù)：攪拌直徑D11.05m,轉(zhuǎn)速N1110r/min,以P0/V為基準(zhǔn)求得3 攪拌功率的計算L-精氨酸的發(fā)酵液為低濃度醪液，可視為牛頓液體，依據(jù)化工工藝設(shè)計手冊用修正的邁凱爾公式求得。設(shè)計參數(shù)：醪

37、液密度=1050kg/m3醪液粘度×10-3N·s/m2攪拌器直徑攪拌器轉(zhuǎn)速N=135/60=2.25(r/s)I計算Re可見把L-精氨酸發(fā)酵液視為牛頓液體是正確的，為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù)II由Np可以算出不通氣時發(fā)酵罐攪拌軸功率P0：因為攪拌軸有兩檔攪拌葉，所以攪拌軸總功率P為2P0（kw)III通風(fēng)時的軸功率Pg 式中 P0不通風(fēng)時攪拌軸功率（kW） N軸轉(zhuǎn)速，N=135r/min D攪拌器直徑（cm），D33×106×105 Q通風(fēng)量（ml/min），設(shè)通風(fēng)比為，取低限，如通風(fēng)量變大，Pg會小，為安全?，F(xiàn)取；則××106

38、5;106（ml/min）代入上式：IV電動機的功率采用三角帶傳動1；滾動軸承2，滑動軸承3；端面密封增加功率為1%7；代入公式數(shù)值得查手冊選取電機30kw一臺。4冷卻裝置設(shè)計20m3發(fā)酵罐的體積比較大，比表面積小，夾套蛇管等形成的冷卻面積已無法滿足生產(chǎn)要求，于是使用內(nèi)置的列管裝置，以水作冷卻介質(zhì)。設(shè)計參數(shù)：L-精氨酸發(fā)酵產(chǎn)熱×6000kJ/(m3·h)。設(shè)計發(fā)酵罐裝料系數(shù)：取70%換熱器傳熱系數(shù)K取經(jīng)驗值：×500 kJ/(m3·h·)發(fā)酵罐裝料液體積：I 最高熱負荷下的耗水量：式中：Q總每1m³醪液在發(fā)酵最旺盛時，1h的發(fā)熱量與醪

39、液總體積的乘積：Q總×6000××105KJCp冷卻水的比熱容，4.18KJ/(Kg.K)T2冷卻水終溫，27T1冷卻水初溫，20將各值代入上式，II冷卻管冷卻面積的計算按發(fā)酵生成熱量高峰、一年中最熱的半個月的氣溫下，冷卻水可能達到最高溫度的惡劣條件下，設(shè)計冷卻面積。平均溫差t：t= 3232 202712 5代入t=8換熱面積：=24III冷卻管總截面積冷卻水的流量為3.8kg/s,，取冷卻水在豎直蛇管中流速1m/s，根據(jù)流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積S總為：式中，w冷卻水體積流量，×10m³/s V冷卻水流速，v=1m/s代入上式，S總&#

40、215;10()進水總管直徑IV冷卻管組數(shù)和管徑設(shè)管徑為d0，組數(shù)為n,則冷卻管的總表面積S總根據(jù)本罐情況，取n=8，求管徑，由上式得：查國家標(biāo)準(zhǔn)：鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管（GB13296-91），選取27×無縫管，d內(nèi)，d平均。現(xiàn)取豎蛇管圈端部u型彎管曲徑為250mm，則兩直管距離為500mm，兩端彎管總長度l0V冷卻管總長度L計算：根據(jù)II的計算結(jié)果可知，冷卻管總的熱交換面積F=24，以無縫鋼管27×作為冷卻用管，需要的總長度為：每米長冷卻面積為F0××1=0.081(m2)需要的總長度L=F/F0=296.3(m)冷卻管在發(fā)酵罐內(nèi)占用的體積為

41、：×2×（m3）VI每組管長l0和管組高度另需連接管8m：l實際（m）可排豎直列管的高度，設(shè)為靜液面高度，下部不伸入封頭。設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為³，則：由此可以算出發(fā)酵罐內(nèi)的液面高度為：豎式蛇管總高H管=3.59(m)，取管間間距為，又兩端彎管總長，兩邊彎管總高，則可算出直管部分高度H為：則一圈管長為：每組管子圈數(shù): L實×5×8+4×8=342(m)296.3(m)管間距為外×0.027=0.0675(m)，豎直列管與罐壁的最小距離為，則可計算出與攪拌器的距離為：在允許范圍內(nèi)（不小于200mm），核實布置后冷卻管的實際傳

42、熱面積為： S實=d×L實××342=27.7(m3)>24(m3)能滿足實際生產(chǎn)的需要，設(shè)計符合需要。5接管設(shè)計I接管的長度h設(shè)計：各接管的長度h根據(jù)直徑大小和有無保溫層，一般取100200mm。II接管直徑的確定：按排料管計算：該罐實裝醪量3，設(shè)之內(nèi)排空，則物料體積流量發(fā)酵醪流速取v=1m/s;則排料管截面積為F物。管徑：取無縫管108x4mm，認為合適。設(shè)計每個發(fā)酵罐有一個空氣除菌系統(tǒng)，通風(fēng)量按溶氧量計算：壓縮空氣在下，支管氣速為2025m/s，通風(fēng)比為20，下，m3m3/s計算到，32狀態(tài)下，取風(fēng)速v=20m/s，則風(fēng)管截面積Ff為：Ff2氣，則氣管

43、直徑d氣為：因通風(fēng)管也是排料管，故取兩者的大值，取108x4mm無縫鋼管，則滿足工藝求。排料時間復(fù)核：物料流量m3/s，流速v=1m/s，管道截面積：在相同流速下，流過物料因管徑與原來計算結(jié)果相同，所以所用時間相同。6設(shè)備材料的選擇考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料和封頭材料，封頭結(jié)構(gòu)、與罐體連接方式。L-精氨酸發(fā)酵是在中性環(huán)境中進行的，對罐體不會有太大腐蝕，所以罐體和封頭都使用A3鋼為材料，以降低費用，封頭設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，因D>500mm，所以采用雙面縫焊接的方式與罐體連接。I發(fā)酵罐壁厚計算法確定發(fā)酵罐的壁厚S1式中，P設(shè)計壓力，取最高工作壓力的倍， D內(nèi)發(fā)酵罐內(nèi)徑，D=230

44、cm A3鋼的許用應(yīng)力，【】=127Mpa焊縫系數(shù)，其范圍為：至1，現(xiàn)取 C壁厚附加量，C=C1+C2+C3 C1鋼板負偏差，取C1 C2為腐蝕欲量，取C2=2mm C3加工減薄量，取C3=0，代入上式得 C=C1+C2+C3選用8mm厚A3鋼板制作，查生物工程工廠設(shè)計概論附錄表17知，直徑，厚度8mm，高，每米高重約為：596kg，則G筒=596×4.6=2741.6(kg)。II封頭壁厚計算：標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的厚度計算公式如下：式中，D=230cm，=127Mpa，C1，C2，C3 C=C1+C2+C3代入上式，得查附表18圓整為S2=10mm，則查生物工程工廠設(shè)計概論附錄表18，G

45、封=474(kg)則，兩封頭總重高：2×474=948(kg)。III人孔、檔板、視鏡和支座選擇人孔的設(shè)置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設(shè)備內(nèi)部的裝置。本次設(shè)計只設(shè)置了1個人孔，標(biāo)準(zhǔn)號為：人孔RF（R·G）450-0.6 HG21522-1995，公稱直徑450，開在頂封頭上，位于左邊軸線離中心軸750mm處。為增強發(fā)酵醪液湍動和溶氧傳質(zhì)，通常設(shè)4到6塊檔板，本設(shè)計取4塊，按全檔板的要求設(shè)計，則應(yīng)該滿足式中： n檔板的數(shù)目 b檔板的寬度，mm D發(fā)酵罐的直徑，mm則有：檔板自罐底至設(shè)計的液面高度為止，與罐壁的空隙為D/8。視鏡用于觀察發(fā)酵罐內(nèi)部的情況。本次設(shè)計只設(shè)置了2視鏡，

46、直徑為DN80，開在頂封頭上，位于前后軸線離中心軸750mm處，標(biāo)記為視鏡 PN1.0 DN80 HGJ501-86-17。支座選擇型：對于20m3以上的發(fā)酵罐，應(yīng)該根據(jù)設(shè)備的估計總重量，選用合適的支座。20m3發(fā)酵罐總重估算：1、 圓筒重G筒=2741.6(kg)2、 兩封頭重G封=948(kg)3、 最大裝液量：G液=22600(kg)4、 電機及附屬設(shè)備重G附=200(kg)則總量為：G筒+G封+G液+G附=26.5(t)由于設(shè)備的總重比較大，所以選用裙式支座。4.2 種子罐的選型與設(shè)計發(fā)酵所需的種子從試管斜面出發(fā)，擴大至二級種子罐培養(yǎng)，以便獲得足夠的菌體用于發(fā)酵。種子罐也采用通風(fēng)攪拌型

47、的發(fā)酵罐，體積較發(fā)酵罐的小，在5m3以內(nèi)，所以種子罐冷卻方式一般采用夾套冷卻。1二級種子罐容積的確定接種量為10%計算，則種子罐容積V種2為：式中 V總發(fā)酵罐總?cè)莘e（m3）2二級種子罐個數(shù)的確定種子罐與發(fā)酵罐應(yīng)是對應(yīng)上料的，發(fā)酵罐平均每天上罐，種子罐培養(yǎng)8h，輔助操作時間10h，生產(chǎn)周期18h，因此，二級種子罐3個已足夠，其中一個備用。1 種子罐徑高的確定H：D=2：1，則種子罐總?cè)莘e量V'總為：根據(jù)圓柱體體積與橢圓的體積計算公式有：解方程得： 直徑計算出來后，應(yīng)將其值圓整到接近的公稱直徑系數(shù)，查吳思方的生物工程工廠設(shè)計概論2007年版，附表25（281）通用式發(fā)酵罐系列尺寸表，則D取

48、1.1m則：H=2D=2×1.1=2.2（m）查吳思方的生物工程工廠設(shè)計概論2007年版，附表15,得D=1.1m時，曲面高度為：h1=275mm,直邊高度h2=25mm,則封頭高H封為： H封 =h1+h2=275+25=300（mm）=0.3（m）罐體總高為：H罐=2H封 +H=2×0.3+2.2=2.8（m）據(jù)此可以算出圓筒容積V筒為：V筒2××2×2.2=2.09（m3）單封頭的容積為H封為：不計上封頭容積，即有效容積V有效 為： V有效= V封+V筒=0.19+2.09=2.2.28（m3） V總=2V封+V筒=2×0.19

49、+2.09=2.47（m3）比需要的種子罐容積2.26 m3大，可滿足設(shè)計要求。2 攪拌器的設(shè)計I檔板設(shè)計：按全檔板的設(shè)計要求式中： n檔板的數(shù)目 b檔板的寬度，mm D發(fā)酵罐的直徑，mm取6塊檔則有：II攪拌漿的設(shè)計 攪拌器葉徑：Di=（m）葉寬：×（m）弧長：×（m）底距：（m）盤徑：×（m）葉弦長：×（m）葉距：（m） 彎葉板厚：=2（mm）取兩檔攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速N2可根據(jù)5 m3罐，攪拌器直徑0.525 m，轉(zhuǎn)N1=160r/min，以等P0/V為基準(zhǔn)求得：（r/min）采用兩檔攪拌，攪拌功率及電機功率計算同發(fā)酵罐，則電機功率計算結(jié)果為P電。3 冷

50、卻面積的計算因為種子罐的體積比較小，按通用式發(fā)酵罐系列設(shè)計需要，5m3以內(nèi)的采用夾套冷卻方式。發(fā)酵產(chǎn)生的總熱量：II夾套傳熱系數(shù)×(150250)kJ/(m2·h·），根據(jù)經(jīng)驗取×220kJ/（m2·h·）平均溫差t，與發(fā)酵時的相同，發(fā)酵溫度32，冷卻水初水溫20，終水溫27，則t=8可求得冷卻面積F：夾套冷卻面積的復(fù)核夾套的高度應(yīng)該與靜止液面深度相同靜止液體浸沒筒體高度：液深：該設(shè)計夾套S夾F，可滿足工藝要求。4罐壁厚的選擇因L-精氨酸發(fā)酵的pH在，沒有什么腐蝕性，所以與發(fā)酵罐一樣，采用A3鋼制作壁厚與封頭厚度的計算對于帶夾套的容器

51、，應(yīng)該按外壓容器計算壁厚?？紤]到冷卻水壓力與容器內(nèi)壓力又不同是存在的情況，取水壓作為容器外壓。式中 D設(shè)備的公稱直徑，110cmm外壓容器的穩(wěn)定系數(shù)，與設(shè)備的起始橢圓度有關(guān)，在我國，m=3 P設(shè)計壓力，與水壓有關(guān)，14 E金屬材料的彈性模量，對A3鋼E=2×105MPa C壁厚附加量，C=C1+C2+C3 L筒體長度，L=220cm將數(shù)值代入公式：壁厚取10mm。查吳思方生物工程工廠設(shè)計概論附錄知，直徑為，壁厚10mm，高，每米高重約為：274kg，則G筒=274×2.2=602.8(kg)。封頭的厚度封，查吳思方生物工程工廠設(shè)計概論附錄表求得。i 對于上封頭，查吳思方生物

52、工程工廠設(shè)計概論附錄表18，取封=8mm，質(zhì)量G上封=89.2kg。ii 對于下封頭，取封=10mm，質(zhì)量G下封=116kg。冷卻外套壁厚封：根據(jù)下表，夾套直徑于筒體直徑關(guān)系為：D夾=D內(nèi)+100=1400mmD內(nèi)500-600700-18002000-3000D套D套+50D套+100D套+200查表13，確定外套壁厚套=5mm，夾套內(nèi)有導(dǎo)流板。外套封頭壁厚套封：查表20取套封=10mm，質(zhì)量G=116kg5 接管設(shè)計進風(fēng)管與進料管是同一支管，為公用管。管底距罐底2560mm之間，取30mm向下單管。I接管直徑的確定按排料管計算：該罐實裝醪量×3，設(shè)之內(nèi)排空，則物料體積流量發(fā)酵醪流速取v=1m/